CN104462720A - 一种基于特征的接骨板快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：一，根据骨骼模型，利用边界线选取感兴趣区域，并对该区域进行曲面重构；二，对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，生成曲面特征；三，利用生成的曲面特征，构建一个接骨板实体特征，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改。为接骨板设计，尤其是其个性化设计，提供一定的理论基础，从而缩短接骨板设计周期，提高设计效率。

Description

一种基于特征的接骨板快速设计方法

技术领域

本发明涉及一种数字骨科植入物设计技术，具体涉及一种基于特征的接骨板快速设计方法，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术

近年来，随着计算机技术、电子信息技术、医学影像技术和医学图像处理技术的迅速发展，数字骨科这个新概念逐渐形成。数字骨科植入物设计作为数字骨科学的重要研究内容，受到了国内外研究学者的广泛关注。最常见的骨科植入物有：接骨板、髓内钉、钢针等，其中接骨板的设计是植入物设计的核心。现有的接骨板设计方法包括以下基本步骤：(1)使用CT/MRI扫描获取的样本数据重建基于网格的骨骼模型，并对断骨进行拼接和矫正。(2)对骨骼三维网格模型进行几何处理(如表面重建、光顺等)；(3)以骨骼三维网格模型为参考截取接骨板贴合面；(4)构建剩余表面生成接骨板实体，并根据医学经验生成不同尺寸的系列化产品；(5)通过有限元分析对接骨板在形状、厚度上进行适当调整。上述方法虽在一定程度上推动了数字骨科学的研究发展，但未从设计的角度去分析和解决植入物设计的问题，且并未结合骨骼形态的特征参数及其各参数间的关联关系。

骨骼形状本身表现为复杂的曲面，不同个体在骨骼局部形态以及骨折位置也会又存在显著差异。因此，即使接骨板制造商将其规格型号分得足够系，接骨板与骨骼表面的吻合性与螺钉的位置仍然不够理想，临床医生需要多次对比、塑形，导致手术耗时长效率低。考虑到曲面特征技术具有支持高层语义参数的设置，易于曲面的编辑修改等优点，本发明提出将曲面特征技术和参数化融入到接骨板设计中，研究基于特征和参数化的接骨板设计方法。本发明以提高接骨板与创伤骨骼区域的贴合性为目的，对提高接骨板设计质量和效率有重要意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于特征的接骨板快速设计方法，为接骨板设计，尤其是其个性化设计，提供一定的理论基础，从而缩短接骨板设计周期，提高设计效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

一，根据骨骼模型，利用边界线选取感兴趣区域，并对该区域进行曲面重构；

二，对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，生成曲面特征；

三，利用生成的曲面特征，构建一个接骨板实体特征，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改。

其中，所述步骤一包括以下步骤：

1a选取感兴趣区域，使用绘制曲线选定骨骼模型的受损区域，形成一个封闭区域，使得封闭区域与接骨板模型的外形轮廓一致；所述感兴趣区域为骨骼模型的受损区域；

1b对步骤1a中选定的局部区域进行曲面重构，利用蒙皮曲面生成方式，生成一个新的、独立的曲面，使其与选定局部区域形状一致；

1c使得步骤1a中封闭区域与步骤1b中重构的曲面形状一致，通过误差分析，调整曲面的内部轮廓线。

所述步骤二包括以下步骤：

2a对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，曲面区域参数设置包括全局参数设置和局部参数设置；所述全局参数包括曲面形状的长度、宽度、角度；所述局部参数包括局部区域的弯曲度、曲率；

2b设置步骤2a中全局参数与局部参数间的关联性，通过修改参数改变曲面形状。

所述步骤三包括以下步骤：

3a曲面特征生成后，通过拉伸、修改生成接骨板实体为由曲面特征沿着该曲面法向方向加厚，形成接骨板实体，设置接骨板实体特征参数，所述接骨板实体特征参数包括接骨板实体不同位置处的厚度；

3b建立曲面特征参数与接骨板特征参数间的关联关系，并对特征参数划分层次，接骨板特征参数的层次高于曲面特征参数的层次；

3c：建立不同层次间的参数间的映射关系，使得接骨板特征参数的变化对曲面特征参数产生影响，即接骨板特征的参数发生变化，其曲面特征参数也发生变化。

本发明所达到的有益技术效果：

本发明的一种基于特征的接骨板快速设计方法用于医学骨科植入物设计制造领域，能够提高骨科植入物的设计效率和精度，对模拟手术和提高手术效果具有重要意义。

附图说明

图1本发明流程示意图；

图2本发明曲面特征与接骨板实体特征之间的映射关系；

图3接骨板实体生成示意图；

图4曲面区域参数化示意图；

图5接骨板实体特征参数化示意图。

具体实施方式

为了审查员能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发明的附图结合实施例进行更详细的说明。然而，所示附图，只是为了更好的说明本发明的技术方案，并不是本发明的真实比例和最佳配置，所以，请审查员不要就附图的比列和配置，限制本发明的权利要求保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种基于特征的接骨板快速设计方法，包括以下步骤：

一，根据骨骼模型，利用边界线选取感兴趣区域，并对该区域进行曲面重构；

二，对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，生成曲面特征；

三，利用生成的曲面特征，构建一个接骨板实体特征，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改。

其中，所述步骤一包括以下步骤：

1a选取感兴趣区域，使用绘制曲线选定骨骼模型的受损区域，形成一个封闭区域，使得封闭区域与接骨板模型的外形轮廓一致；所述感兴趣区域为骨骼模型的受损区域；如图3所示，具体设计过程中，首先对受损的骨骼模型进行复原；其次，选取骨骼模型的感兴趣区域范围；最后生成接骨板实体的贴合面。

1b对步骤1a中选定的局部区域进行曲面重构，利用蒙皮曲面生成方式，生成一个新的、独立的曲面，使其与选定局部区域形状一致；

1c使得步骤1a中封闭区域与步骤1b中重构的曲面形状一致，通过误差分析，调整曲面的内部轮廓线。

所述步骤二包括以下步骤：

2a对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，曲面区域参数设置包括全局参数设置和局部参数设置；所述全局参数包括曲面形状的长度、宽度、角度；所述局部参数包括局部区域的弯曲度、曲率；如图4中a所示，为股骨远端感兴趣区域的参数化示意图，提取曲面特性线，曲面特征线包括轮廓线C1、C2，对曲面特征参数化，曲面特征参数Pi＝{L1，W0，W1，W2，W3，W4}，其中：L1为股骨远端感兴趣区域长度，W0、W1、W2、W3、W4为股骨远端感兴趣区域不同位置的宽度。图4中b为股骨近端感兴趣区域的参数化，Pi'＝{L2，W2}，其中：L2为股骨近端感兴趣区域长度，W2为股骨近端感兴趣区域宽度。

2b设置步骤2a中全局参数与局部参数间的关联性，通过修改参数改变曲面形状。

所述步骤三包括以下步骤：

3a曲面特征生成后，通过拉伸、修改生成接骨板实体为由曲面特征沿着该曲面法向方向加厚，形成接骨板实体，设置接骨板实体特征参数，所述接骨板实体特征参数包括接骨板实体不同位置处的厚度，并且可以在接骨板实体指定位置设置或修改厚度参数，其中，接骨板实体指定位置根据骨骼模型受损的具体需要而定；如图5中a所示，为股骨远端接骨板实体特征，是由图4中a所示的曲面特征生成，对接骨板实体参数化为Qi＝{L，W，H1，H2，H3}，其中：L为股骨远端接骨板实体特征长度，W为股骨远端接骨板实体特征宽度，H1、H2、H3为股骨远端接骨板实体特征区域厚度；图5中b为股骨近端接骨板实体特征，为图4中b所示的曲面特征生成，对实体特征参数化，Qi'＝{L'，W'、H1'、H2'}，其中：L'为股骨近端接骨板实体特征长度，W'为股骨近端接骨板实体特征宽度，H1'、H2'为股骨近端接骨板实体特征区域厚度。

3b建立曲面特征参数与接骨板特征参数间的关联关系，并对特征参数划分层次，接骨板特征参数的层次高于曲面特征参数的层次；

3c：建立不同层次间的参数间的映射关系，使得接骨板特征参数的变化对曲面特征参数产生影响，即现有接骨板实体特征的参数发生变化，其曲面特征参数也发生变化，进而生成一个新的接骨板实体特征。如图2所示，接骨板实体特征受曲面特征参数和接骨板实体特征参数的影响，定义映射关系为μ，曲面特征参数为Pi，接骨板实体特征参数为Qi，接骨板实体特征为Si，则有μ(Pi,Qi,S0)＝S1，S0为现有的接骨板实体特征，S1为新生成的接骨板实体特征。因此，通过调整映射关系μ、接骨板实体参数Qi，可生成特定的接骨板实体。

本发明未进一步说明的均为现有技术。

本发明给出了一种基于特征的接骨板快速设计方法。首先，根据骨骼模型，利用边界线选取感兴趣区域，并对该区域进行曲面重构；然后，对感兴趣的曲面区域进行特征定义和相关参数设置，生成曲面特征；最后，利用生成的曲面特征，构建一个接骨板实体特征，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改。本发明不仅支持曲面特征的编辑修改，同时支持接骨板实体的参数修改，应用于骨科植入物计算机辅助手术，对有效提高接骨板设计质量和效率有重要作用。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

一，根据骨骼模型，利用边界线选取感兴趣区域，并对该区域进行曲面重构；

二，对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，生成曲面特征；

三，利用生成的曲面特征，构建一个接骨板实体特征，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改。

2.根据权利要求1所述的基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：所述步骤一包括以下步骤：

1a选取感兴趣区域，使用绘制曲线选定骨骼模型的受损区域，形成一个封闭区域，使得封闭区域与接骨板模型的外形轮廓一致；

1b对步骤1a中选定的局部区域进行曲面重构，利用蒙皮曲面生成方式，生成一个新的、独立的曲面，使其与选定局部区域形状一致；

1c使得步骤1a中封闭区域与步骤1b中重构的曲面形状一致，通过误差分析，调整曲面的内部轮廓线。

3.根据权利要求1所述的一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：所述步骤二包括以下步骤：

2a对重构的曲面区域进行特征定义和参数设置，曲面区域参数设置包括全局参数设置和局部参数设置；

2b设置步骤2a中全局参数与局部参数间的关联性，通过修改参数改变曲面形状。

4.根据权利要求1所述的基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：所述步骤三包括以下步骤：

3a：曲面特征生成后，通过拉伸、修改生成接骨板实体，设置接骨板实体特征参数；

3b：建立曲面特征参数与接骨板特征参数间的关联关系，并对特征参数划分层次，接骨板特征参数的层次高于曲面特征参数的层次；

3c：建立不同层次间的参数间的映射关系，使得接骨板特征参数的变化对曲面特征参数产生影响，即接骨板特征的参数发生变化，其曲面特征参数也发生变化。

5.根据权利要求2所述的基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：所述步骤1a中，所述感兴趣区域为骨骼模型的受损区域。

6.根据权利要求3所述的一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：步骤2a中，所述全局参数包括曲面形状的长度、宽度、角度；所述局部参数包括局部区域的弯曲度、曲率。

7.根据权利要求4所述的一种基于特征的接骨板快速设计方法，其特征在于：步骤3a中，所述通过拉伸、修改生成接骨板实体为由曲面特征沿着该曲面法向方向加厚，形成接骨板实体，设置接骨板实体特征参数，所述接骨板实体特征参数包括接骨板实体不同位置处的厚度。